Cheminées en Acier

Les Cheminées en Acier sont conçues pour atteindre un équilibre entre la conformité environnementale, la stabilité structurelle et l’efficacité fonctionnelle dans l’évacuation des gaz d’échappement des processus.

Pour la fabrication, le choix des matériaux et des revêtements appropriés pour résister aux gaz corrosifs ainsi que les défis de fabrication sont critiques pour la conformité et l’intégrité structurelle.

Index

1. Introduction

2. Sélection de la Taille 

     2.1 Hauteur 

     2.2 Diamètres 

     2.3 Forme

3. Composants et Accessoires 

4. Matériaux

     4.1 Enveloppe et Plaques de Base

     4.2 Raidisseurs et Contreventements et/ou Charpente Structurelle

5. Revêtements

6. Fabrication

     6.1 Considérations Générales

     6.2 Soudage

     6.3 Problèmes de Fabrication Courants 

     6.4 Inspection

          6.4.1 Inspection Extérieure

          6.4.2 Inspection Intérieure

1. Introduction

La conception et l'ingénierie des cheminées en acier jouent un rôle crucial dans l'évacuation efficace des gaz d'échappement des processus dans l'atmosphère. Ce processus est désormais soumis à des réglementations strictes en matière de pollution atmosphérique, nécessitant un équilibre minutieux entre la stabilité structurelle, l'efficacité fonctionnelle et le respect des normes environnementales. Les considérations clés dans la conception mécanique des cheminées comprennent :

• Hauteur et Diamètre : Déterminés par un équilibre entre la stabilité structurelle et le respect des exigences de contrôle de la pollution atmosphérique. Les cheminées en acier ont vu leur hauteur augmenter pour se conformer aux normes de qualité de l'air ambiant.
• Contrôle de la Température : Les températures des gaz d'entrée de la cheminée ont diminué avec l'accent mis sur la récupération d'énergie thermique. L'attention portée aux pertes de chaleur de la cheminée est devenue plus critique. Il est conseillé de maintenir une température minimale du métal au-dessus du point de rosée acide.
• Conformité Réglementaire : Les cheminées sont conçues conformément aux règles de pollution atmosphérique. Le respect des réglementations nécessite non seulement une ventilation adéquate, mais aussi la dispersion des gaz pour répondre aux normes environnementales.
• Surveillance et Inspection : Les conceptions modernes de cheminées incorporent souvent divers accessoires pour la surveillance des gaz. Des inspections régulières des cheminées sont essentielles pour garantir une conformité continue et résoudre rapidement tout problème.

Le paysage évolutif des normes de qualité de l'air et des réglementations environnementales continue de façonner la conception mécanique des cheminées, en mettant l'accent sur le besoin d'efficacité, de conformité et de responsabilité environnementale.

2. Sélection de la Taille 

2.1 Hauteur 

• Réglementations de l'Agence de Protection de l'Environnement (EPA) : Les exigences de hauteur de cheminée peuvent être dictées par les réglementations de l'EPA pour tenir compte de facteurs tels que le rabattement (downwash) dû au terrain local, aux structures adjacentes ou à la dispersion des polluants. Le respect des réglementations de contrôle de la pollution atmosphérique est essentiel.
• National Fire Protection Association (NFPA) : Établit des exigences de hauteur minimale pour les cheminées à haute température au-dessus des bâtiments pour la protection contre l'incendie et la sécurité humaine. Les codes locaux, souvent plus stricts, doivent également être respectés.
• Exigences de Tirage : Les besoins de tirage du processus peuvent influencer la hauteur de la cheminée, le tirage disponible étant calculé à l'aide de formules spécifiques présentées ultérieurement.
• Hauteur Efficace de la Cheminée : Les considérations de montée du panache peuvent augmenter la hauteur effective de la cheminée, obtenue en installant une buse ou un cône tronqué pour améliorer la vitesse de sortie des gaz.

2.2 Diamètres 

• Diamètre de Passage des Gaz : Généralement déterminé par le volume de gaz de processus et le tirage disponible. Les vitesses courantes de cheminée varient de 2 400 pi/min à 3 600 pi/min. Les vitesses pour les cheminées évacuant des gaz saturés peuvent être limitées pour réduire l'entraînement d'humidité.
• Diamètres de l'Enveloppe de la Cheminée : Contrôlés par les limitations d'expédition et de transport, assurant le maintien des performances mécaniques et de la stabilité structurelle.
• Stabilité Structurelle : Peut influencer le choix du diamètre de l'enveloppe de la cheminée, sous réserve de confirmation par analyse structurelle.
• Considérations Futures : Anticiper les changements dans le volume des gaz de cheminée, les températures des gaz de processus et la qualité des gaz lors de la sélection du diamètre.
• Réglementations de l'EPA : Le diamètre de sortie de la cheminée peut être fixé par les réglementations de l'EPA, en tenant compte de la montée du panache pour des vitesses optimales pendant les essais.

2.3 Forme

• Formes Cylindriques : Courantes pour l'efficacité de la stabilité structurelle et l'économie de fabrication. Les variations de diamètre le long de la hauteur de la cheminée sont autorisées à un angle ne dépassant pas 30 degrés par rapport à la verticale.
• Autres Formes : Les formes géométriques au-delà du cylindrique (octagonale, triangulaire) nécessitent une considération spéciale pour la stabilité dynamique et le respect des normes de conception technique, notamment pour les choix esthétiques. Les formes inhabituelles doivent suivre les principes d'ingénierie de base, à la fois structurellement et mécaniquement.

3. Composants et Accessoires 

• Portes d'Accès : Portes de taille appropriée pour inspecter la base inférieure intérieure et d'autres emplacements.
• Faux Fonds : Recommandés sous l'entrée inférieure de la cheminée pour un soutien structurel accru.
• Drains : Installés dans les faux fonds et/ou les fondations pour dévier l'eau loin de la base et des boulons d'ancrage.
• Orifices d'Essai et d'Instrument : Dimensionnés et situés pour des applications spécifiques.
• Orifices d'Inspection : Espacés de manière appropriée sur la hauteur de la cheminée pour une inspection approfondie.
• Échelle d'Accès et Plateformes d'Essai : Choisies en fonction des conditions de travail, avec une largeur de plateforme spécifiée.
• Éclairage : Conformité aux directives nationales. Plateformes d'accès pour une construction résistante à la corrosion.  
• Chapeaux de Pluie : Généralement non requis pour les cheminées actives à temps plein. Si spécifiés, les recommandations de diamètre et de hauteur libre s'appliquent.
• Écrans Pare-Étincelles : Matériau en acier inoxydable, hauteur minimale de deux diamètres de cheminée, spécifiés au besoin.
• Protection Contre la Foudre : Mise à la terre requise à la base conformément aux exigences nationales.
• Registres Internes : Considération spéciale pour les registres d'arrêt et les registres à capuchon si spécifiés.
• Aubes de Redressement : Spécification requise pour une distribution efficace du flux de gaz pendant les essais.
• Déflecteurs Séparateurs : Parfois utilisés pour les cheminées avec deux entrées opposées afin de réduire la contre-pression.
• Toits de Tête de Cheminée : Pour les cheminées à plusieurs conduits et les cheminées à double paroi, offrant une protection contre les intempéries et s'adaptant à la dilatation différentielle prévue. Tenir compte de l'accumulation de cendres sur les surfaces planes.
• Contrôle de la Pollution Sonore : Des atténuateurs de son acoustiques à l'intérieur de la cheminée peuvent être requis.

4. Matériaux

Les matériaux recommandés ci-dessous sont proposés pour être utilisés en raison de leur capacité à satisfaire les critères physiques, mécaniques, chimiques et environnementaux d'une application particulière. L'approbation d'un matériau pour un usage spécifique doit reposer sur son historique de performance ou sur la confirmation de sa pertinence par une vérification indépendante.

4.1 Enveloppe et Plaques de Base

L'enveloppe et les plaques de base sont généralement fabriquées à partir d'une variété de matériaux structurels, notamment :

• Aciers au carbone conformes aux spécifications ASTM A36, A283 ou A529.
• Aciers faiblement alliés à haute résistance conformes aux spécifications ASTM A242, A572 ou A588.
• Aciers inoxydables conformes aux spécifications ASTM A666. L'acier inoxydable ASTM A666 304 L peut également être utilisé pour le revêtement et le placage.
• Plaques plaquées d'acier inoxydable au chrome-nickel (ASTM A264) et acier plaqué d'alliage à base de nickel (ASTM A265), qui peuvent être considérés pour les tôles d'enveloppe.

Les aciers au carbone de qualité pour appareils à pression comme ASTM A285, A515 et A516 ; les aciers alliés tels que ASTM A387 ; et les aciers inoxydables comme ASTM A240 peuvent être substitués aux matériaux de qualité structurelle si nécessaire.

Pour des conditions de température spécifiques :

• Les aciers au carbone (par exemple, ASTM A516, grades 55 à 70) et les aciers faiblement alliés (par exemple, ASTM A517, grades A à T, et ASTM A537) sont généralement spécifiés pour des températures de service aussi basses que $-50^F(-46^$C).
• Les aciers alliés contenant du nickel comme ASTM A203, grades A et B, sont utilisés pour des températures aussi basses que $-75^F(-59^$C), et les grades D, E et F sont employés pour des températures aussi basses que $-150^F(-101^$C). Des températures encore plus basses peuvent nécessiter des aciers alliés contenant du nickel et des aciers inoxydables au nickel.

Les fournisseurs d'aciers de qualité structurelle peuvent fournir des données sur la résilience (notch toughness) lorsqu'elle est spécifiée.

De plus, une protection contre la corrosion et/ou l'oxydation sur les surfaces intérieures et/ou extérieures peut être nécessaire en fonction des matériaux et des conditions. 

4.2 Raidisseurs et Contreventements et/ou Charpente Structurelle

Les raidisseurs et les contreventements et/ou la charpente structurelle peuvent être des matériaux suivants :

• Aciers au carbone conformes aux spécifications ASTM A36, A283 ou A529.
• Aciers faiblement alliés à haute résistance conformes aux spécifications ASTM A242, A572 ou A588.
• Aciers inoxydables conformes aux spécifications ASTM A240 ou A666 ou alliages contenant du nickel avec des compositions similaires à celles de la tôle d'enveloppe.

5. Revêtements

• Objectif des Revêtements :
  • Résistance à la Corrosion : Les revêtements peuvent être nécessaires pour résister aux gaz et vapeurs corrosifs
  • Résistance à la Chaleur : Les revêtements peuvent offrir une résistance aux températures élevées.
  • Maintien de la Température : Les revêtements aident à maintenir les températures de surface de la cheminée pour prévenir la corrosion par condensation.
• Analyse pour la Décision de Revêtement :
  • Une analyse thermique complète de l'ensemble du système, de la source de chaleur à la sortie de la cheminée, est essentielle.
  • L'accent principal doit être mis sur la détermination de la température de surface de la cheminée.
  • Effectuer une analyse chimique et physique approfondie des gaz de combustion pour identifier les constituants chimiquement corrosifs.
  • Évaluer les caractéristiques de la charge de particules dans les gaz de combustion.

La décision d'utiliser un revêtement doit être basée sur les résultats de ces analyses. Si des constituants corrosifs sont présents ou s'il existe un risque de corrosion par condensation due aux variations de température, les revêtements deviennent cruciaux. Le type de matériau de revêtement et ses spécifications doivent correspondre aux exigences spécifiques identifiées par ces analyses.

Il convient d'envisager l'utilisation de revêtements et de placages métalliques lorsqu'il existe un besoin de résistance à la corrosion et/ou aux températures élevées. Des métaux et alliages haute performance, tels que les aciers inoxydables, les alliages à base de nickel et le titane, peuvent être utilisés comme revêtements ou comme placage sur des tôles d'acier au carbone pour répondre à ces préoccupations.

6. Fabrication

6.1 Considérations Générales

• Raccords Boulonnés :

1. • Agrandissement des Trous :
     • Le décalage (Drifting), s'il est requis, ne doit pas élargir les trous ni déformer les éléments.
     • Les trous nécessitant un agrandissement doivent être alésés.
   • Serrage des Boulons :
     • Les boulons doivent être serrés en utilisant l'une des méthodes suivantes :
       • Méthode du tour-d'écrou.
       • Rondelles indicatrices de charge.
       • Clés dynamométriques étalonnées.
       • Autres méthodes approuvées.

• Redressement du Matériau :

1. • Tout redressement de matériau requis doit être effectué en utilisant des procédures qui minimisent la contrainte résiduelle.

• Boulons d'Ancrage :

1. • Le redressement ou le pliage des boulons d'ancrage par chauffage est interdit.

• Disposition des Soudures :

1. • Toutes les soudures bout à bout verticales de tôles ou de panneaux d'atelier et de chantier doivent être décalées d'un minimum de 20 degrés.
   • Les sections cylindriques soudées jointes par des soudures circonférentielles doivent avoir des soudures verticales décalées d'un minimum de 20 degrés.

• Calcul et Comparaison des Dimensions :

1. • Les dimensions et les poids des sections de cheminée doivent être calculés avec précision et comparés aux capacités des grues aux rayons de travail pendant l'érection.
   • Les capacités des grues et les rayons de travail ne doivent pas être dépassés.

• Retrait des Éléments Temporaires :

1. • Les taquets de levage, cosses, chiens, supports et autres éléments soudés aux sections de cheminée pour l'érection ou l'ajustement, s'ils ne sont pas laissés en place, doivent être retirés sans endommager le matériau de base.
   • Toute soudure restante sur la surface interne de la cheminée soumise aux gaz de combustion doit être mise à niveau et meulée.
   • Si un support est utilisé pour le soudage, il n'est pas nécessaire de le retirer.

• Érection et Échafaudage :

1. • L'érection et l'échafaudage, y compris les échelles, doivent être conformes aux derniers codes applicables et/ou spécifiés.

6.2 Soudage

Toutes les dispositions de soudage, la qualité d'exécution, les techniques, les qualifications de soudeur et d'inspecteur, ainsi que les essais de soudage doivent être conformes aux directives décrites dans le Code de Soudage Structurel de l'American Welding Society ANSI/AWS D1.1 (dernière édition) ou ASME BPVC, Section IX. Plus précisément, toutes les soudures bout à bout structurelles doivent être des soudures à pleine pénétration.

• Exigences Minimales d'Inspection des Soudures :
  • Inspection Visuelle :
    • Inspections visuelles continues pendant et après le soudage pour assurer une fusion complète entre les couches adjacentes et les métaux de base.
    • Retrait du laitier après achèvement du soudage.
    • Nettoyage des soudures et des surfaces métalliques adjacentes.
    • Attention particulière aux problèmes de surface tels que la fissuration, la porosité, l'inclusion de laitier, l'entaille, le chevauchement et les poches de gaz.
    • Correction des soudures défectueuses selon les exigences des codes ASME ou AWS.
  • Inspection Radiographique :
    • Un minimum d'une radiographie pour toutes les trois soudures circonférentielles d'atelier sur l'enveloppe structurelle de la cheminée, de préférence aux intersections des soudures verticales.
    • L'enveloppe intérieure ou extérieure est considérée comme structurelle lorsqu'elle est conçue pour résister à la charge de vent ou sismique déterminante.
  • Inspection Visuelle pour les Soudures de Chantier :
    • Toutes les soudures de chantier structurelles à pleine pénétration sont soumises à une inspection visuelle.
    • Les radiographies ne sont généralement pas réalisables pour les soudures d'épissure de chantier de l'enveloppe ou du conduit en raison des contraintes de conception.
• Types d'Inspection de Soudage :

• • Inspection Radiographique : Effectuée en atelier sur les soudures bout à bout à pleine pénétration.
  • Inspection Visuelle : Appliquée à toutes les soudures d'atelier et de chantier.
  • Inspection par Particules Magnétiques : Applicable à toutes les soudures de matériaux ferromagnétiques.
  • Inspection par Ultrasons : Utilisée sur toutes les soudures bout à bout d'atelier d'une épaisseur $\geq5⁄16$ pouce.
  • Inspection par Pénétrant Liquide : Utilisée au besoin pour compléter l'inspection visuelle. Méthodes standard selon ANSI/AWS D1.1 (dernière édition). Critères d'acceptation selon les codes ASME ou AWS.

6.3 Common Fabrication Problems 

Divers problèmes potentiels doivent être pris en compte concernant l'état des cheminées, notamment :

• Corrosion atmosphérique et altération sur la surface extérieure.
• Corrosion résultant de la condensation acide dans les gaz de combustion sur les surfaces internes.
• Accumulation de cendres volantes ou de particules à la base, au faux fond ou au toit de la cheminée.
• Condensat d'humidité à la base de la cheminée.
• Infiltration d'acide/d'humidité dans l'isolation.
• Déformation due à une charge thermique ou autre.
• Corrosion des boulons d'ancrage.
• Fissures de fatigue.
• Perte ou détérioration de l'isolation, du revêtement ou des doublures.
• Desserrage des boulons d'ancrage.
• Desserrage des boulons d'épissure/à bride.
• Formation de « points chauds » sur l'enveloppe des cheminées avec revêtement interne.
• Séparation des supports d'échelle de l'enveloppe de la cheminée.

6.4 Inspection

6.4.1 Inspection Extérieure

• Épaisseur de l'Enveloppe : 
  • Des dispositifs à ultrasons pour les essais d'épaisseur non destructifs ou des carottes et des essais de forage peuvent être utilisés pour mesurer l'épaisseur de l'enveloppe. 
  • Il est recommandé de prendre une lecture de l'épaisseur de l'enveloppe pour chaque partie de la hauteur de la cheminée égale au diamètre de la cheminée. 
  • Conserver un enregistrement des résultats pour surveiller la corrosion de l'enveloppe en acier.
• Finition :
  • Inspecter la finition extérieure pour détecter les dommages, l'usure et toute discontinuité.
  • Enregistrer toutes les déficiences identifiées lors de l'inspection.
• Système d'Accès :
  • Inspecter tous les composants du système d'accès, y compris les échelles, les ancrages d'échelle, les cages, les dispositifs d'escalade de sécurité et les plateformes, pour garantir l'intégrité et la sécurité.
• Système de Protection Contre la Foudre :
  • Inspecter tous les composants du système de protection contre la foudre, y compris la connexion de mise à la terre, pour la continuité électrique.
• Système de Support :
  • Vérifier les contreventements, les ancrages de câbles de haubanage, les câbles de haubanage, les raccords de hauban et les éléments similaires.
  • Noter et analyser toute déficience identifiée.
• Boulons :
  • Inspecter tous les boulons, y compris les boulons d'ancrage.
• Système Électrique :
  • Noter la présence de toute condensation d'humidité à l'intérieur des conduits et des raccords.
  • Inspecter la corrosion des raccords et des conduits.
  • Remplacer toutes les lampes grillées.
• Isolation :
  • Reconnaître le potentiel d'imprégnation de l'isolation due à l'infiltration d'acide dans les cheminées isolées.
  • Une isolation humide et saturée d'acide peut accélérer la corrosion de l'enveloppe, entraînant des dommages structurels importants.

6.4.2 Inspection Intérieure

          1. Épaisseur de l'Enveloppe :

• • Utiliser des dispositifs à ultrasons pour les essais d'épaisseur non destructifs afin de mesurer l'épaisseur de l'enveloppe.
  • Prendre une lecture de l'épaisseur de l'enveloppe pour chaque partie de la hauteur de la cheminée égale au diamètre de la cheminée.
  • Conserver un enregistrement des résultats pour surveiller la corrosion de l'acier.

          2. Revêtement :

1. • Le revêtement est critique en termes d'usure, de fissures, d'écaillage et d'autres déficiences.
   • Faire preuve de prudence pour détecter les déficiences qui pourraient être masquées par le chevauchement des dépôts de particules.
   • Il est recommandé de prendre des lectures de pH à l'aide de papier tournesol, de réactifs ou d'une analyse chimique d'échantillons représentatifs des surfaces de revêtement.

          3. Accumulation de Particules :

1. • Vérifier l'accumulation de particules telles que les résidus de combustion, les cendres volantes, etc., sur la paroi de la cheminée et à la base de la cheminée.
   • L'accumulation fournit une matrice pour le condensat acide.

Novelty Structures propose des services de fabrication sous contrat pour les fabrications de cheminées en acier au carbone et en acier inoxydable.